膜片自動供給裝置關(guān)鍵部件優(yōu)化設計

熊彬州 吳海波 陳久朋

摘? 要： 光學膜片供給是顯示器生產(chǎn)線的重要環(huán)節(jié)，其中懸臂結(jié)構(gòu)在自動化設備上有著不可替代的作用。因為懸臂結(jié)構(gòu)的重要性，對其進行結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化是必要的。本文設計了一種龍門式自動化設備，對其關(guān)鍵部件懸臂結(jié)構(gòu)進行了靜力分析，其應力應變均滿足設計要求。為了節(jié)省材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用workbench提供的Design Exploration模塊對該懸臂結(jié)構(gòu)進行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果顯示：懸臂結(jié)構(gòu)的厚度對總變形和應力最為敏感，且長寬高的最優(yōu)參數(shù)為340.44 mm，寬為330.64 mm，厚度為10.186 mm。為了減輕懸臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量，設定目標為減少20%重量，優(yōu)化后和優(yōu)化前相比質(zhì)量減少21.7%，而應力和變形均在合理范圍內(nèi)。對該懸臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計可為自動生產(chǎn)線的設計和應用提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 懸臂結(jié)構(gòu);workbench;靜力分析;優(yōu)化設計

【Abstract】： Optical diaphragm supply is an important part of display production line， in which cantilever structure plays an irreplaceable role in automation equipment. Because of the importance of cantilever structure， it is necessary to design and optimize its structure. In this paper， a gantry type automation equipment is designed， and the cantilever structure of its key components is analyzed. The stress and strain meet the design requirements. In order to save material and optimize structure， the Design Exploration module provided by workbench is used to optimize the cantilever structure. The results show that the thickness of cantilever structure is most sensitive to the total deformation and stress， and the optimal parameters of length， width and height are 340.44 mm， width is 330.64 mm and thickness is 10.186 mm. In order to reduce the mass of the cantilever structure， the goal is to reduce the weight by 20%. After optimization， the mass of the cantilever structure is reduced by 21.7% compared with that before optimization， while the stress and deformation are within a reasonable range. The optimum design of the cantilever structure can provide a reference for the design and application of the automatic production line.

【Key words】： Cantilever structure; Workbench; Static analysis; Optimal design

0? 引言

顯示器內(nèi)屏主要由工廠人工線來進行生產(chǎn)，不僅需要將各類光學膜片在生產(chǎn)節(jié)拍的要求下整齊的放入顯示器內(nèi)屏中，還要保證在生產(chǎn)過程中光學膜片的連續(xù)供給。如果光學膜片的供給跟不上則生產(chǎn)節(jié)拍將大大增加，這對生產(chǎn)要求大的企業(yè)將產(chǎn)生很嚴重的后果。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前光學膜片的供給是由人工完成，這對內(nèi)屏的生產(chǎn)效率大大折扣。然而在膜片供給過程中需要用到懸臂結(jié)構(gòu)，因此對懸臂結(jié)構(gòu)的靜力分析顯得尤為重要。

在目前的分析中，藺曉建通過ANSYS Workbench對薄壁二極鐵真空室進行結(jié)構(gòu)靜力分析和優(yōu)化設計，為薄壁二極鐵真空室的后續(xù)設計提供一定的參考[1]。趙元提出了一種新的柔順并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并證明了該方法的有效性[2]。吳祥臻利用Workbench對H型號齒輪箱進行優(yōu)化設計，為齒輪箱的優(yōu)化設計提供了一定的參考和理論支持[3]。劉毓希利用ADAMS建立杠桿平衡式起豎機構(gòu)的虛擬樣機，再運用拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對三角臂進行輕量化處理，這減輕了機構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約了成本[4]。夏學文利用ANSYS軟件的優(yōu)化設計功能對某一鋼架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，為工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供一定的依據(jù) [5]。唐躍采用Pro/E優(yōu)化設計出了一種新型內(nèi)抓外撐抓胎機器手，驗證了新型內(nèi)抓外撐抓胎機器手對解決胚胎變形不均勻和變形量大問題的可行性[6]。關(guān)玉明基于Workbench的優(yōu)化設計得出幾種優(yōu)化方案，通過對比和驗證表明優(yōu)化后的整體結(jié)構(gòu)在剛度和強度上有了顯著的改善[7]。查云飛通過有限元分析軟件對機構(gòu)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，討論了應用有限元分析軟件進行優(yōu)化設計的基本方法，并對優(yōu)化結(jié)果進行了評價[8]。王林軍采用ANSYS Workbench有限元軟件對液壓機機架進行靜力學分析，并在此基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化，確定了方案的可行性[9]。吳小釗結(jié)合設計制造薄板結(jié)構(gòu)彈簧操動機構(gòu)的實踐經(jīng)驗，提出了薄板結(jié)構(gòu)彈簧操動機構(gòu)設置制造中有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，有效的促進了薄板結(jié)構(gòu)在彈簧操動機構(gòu)中的應用[10]。

本文首先設計一臺膜片自動供給裝置，并針對關(guān)鍵零件使用有限元軟件進行分析從而保證結(jié)構(gòu)設計的合理性，對膜片自動供給裝置的關(guān)鍵部位的優(yōu)化設計將會對自動化生產(chǎn)線提供指導和借鑒意義。

1? SolidWorks結(jié)構(gòu)設計

為了滿足生產(chǎn)線要求，設計龍門式三自由度直角坐標機器人如圖1所示。其主要由主體與鋼架組成，鋼架起到支撐主體的作用，而主體由直線運動單元、氣缸和吸盤組成。設備能夠?qū)崿F(xiàn)吸盤在X、Y平面的運動，并能夠在Z方向上下運動，可以滿足對膜片料盒的運載要求。

2? 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)分析

為了簡化分析，在保留設備的重要部件忽略次要部分的前提下，獲得了圖2的簡化裝置，可以知道機構(gòu)主體由能實現(xiàn)x，y運動的直線單元、氣缸和吸盤組成，其中末端執(zhí)行器吸盤與氣缸連接主要依靠板1、加強筋以及懸臂結(jié)構(gòu)進行連接，其中工字型懸臂結(jié)構(gòu)具有懸臂的特點，為了保證設備的強度和剛度，需要對懸臂結(jié)構(gòu)的變形進行分析并給出最佳的設計方案。

2.1? 模型導入

懸臂結(jié)構(gòu)的實體建模是在SolidWorks中完成的，為了在workbench中降低網(wǎng)格劃分的難度和減少計算量，在建模時對設備模型進行相應的簡化，并選取懸臂結(jié)構(gòu)的模型導入workbench中并刪去多余的零件，定義懸臂結(jié)構(gòu)的材料為6061鋁合金，材料泊松比為0.33，彈性模量為6.89×1010 Pa，密度為2.8×103 Kg/m3，模型總重為2.0448 kg。對模型進行網(wǎng)格劃分生成62125個節(jié)點和35501個單元。圖3是懸臂結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分后的結(jié)果。

2.2? 結(jié)構(gòu)的受力分析

懸臂結(jié)構(gòu)通過螺栓與加強筋、板1進行連接，并通過螺栓螺母與吸盤連接件連接。實際懸臂結(jié)構(gòu)受到的作用力和約束不是均勻的，因此需要在模型上加上印記面來模擬接觸約束條件。在實際生產(chǎn)過程中，料盒重量為60 kg，對懸臂結(jié)構(gòu)進行受力情況如圖4所示。

2.3? 后處理

圖5是靜力分析的變形與應力圖，可知遠離加強筋的末端部位變形最大，其最大變形量為0.87767 mm，而最大應力在與加強筋螺栓連接部位的螺紋孔除去螺紋孔其他部位的應力大致為17 MPa左右，而其螺紋孔附近最大應力為31.932 MPa。

因為懸臂結(jié)構(gòu)相當于一個懸臂結(jié)構(gòu)，在工作過程受到自身重力、X方向的慣性作用力，對其遠離加強筋的末端部位受力變形應為最大。在工程技術(shù)上一般要求剛體變形量要小于1 mm，懸臂結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.87767 mm，結(jié)合后處理的結(jié)果可以看出該懸臂結(jié)構(gòu)的變形與應力均在合理范圍內(nèi)，故滿足力學性能要求。

3? 懸臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

3.1? 建立約束方程

圖6是懸臂結(jié)構(gòu)的二維尺寸圖，根據(jù)懸臂結(jié)構(gòu)的連接方式和設計方案可以列出下列約束方程：

3.2? 懸臂結(jié)構(gòu)簡化模型建立

為了減少懸臂結(jié)構(gòu)在workbench中的計算量，

在建立模型時候?qū)冶劢Y(jié)構(gòu)進行相應的簡化，比如將倒角以及對分析影響不大的部分進行刪除，并且建立相應的印記面來對應載荷面和約束面。為了減少優(yōu)化設計計算中可能會導致形狀不規(guī)則，為了防止計算中的錯誤，這里采用智能劃分網(wǎng)格以及單元。計算結(jié)果如圖7所示。

從圖7分析可知，在去掉螺紋孔等對分析結(jié)果影響不大的特征后，最大應力為16.511 MPa，最大變形量為0.85263 mm，誤差不超過2%，同時簡化后懸臂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為2.0718 kg，與原始板材質(zhì)量相差不超過1%，這與之前分析的結(jié)果基本一致。在進行優(yōu)化設計之前，將需要優(yōu)化的參數(shù)拾取出來，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、最大應力、最大形變和最小安全系數(shù)。

3.3? 對參數(shù)進行優(yōu)化

其中workbench提供了Design Exploration（設計探索）模塊。該模塊可以幫助設計人員在產(chǎn)品開發(fā)階段掌握不確定因素對產(chǎn)品性能的影響，而最大限度地提高產(chǎn)品性能。在Design of Experiment在輸入?yún)?shù)中選擇之前拾取的x、y、z，并對輸入?yún)?shù)設置約束的上下限（330≦x≦350，340≦y≦360，9≦z≦11，單位：mm）。

設置完成后，在設計探索類型中選擇Custom自定義的方法，該實驗方法定義實驗點總數(shù)，輸出一定量的實驗數(shù)據(jù)分別計算輸出值來模擬出最優(yōu)工藝。最終按照約束上下限得到31個實驗點和原始值，如表1所示。

3.4? 參數(shù)影響

以懸臂結(jié)構(gòu)的長度y，寬度x和厚度z作為輸入?yún)?shù)，通過輸出結(jié)果可以得到各個參數(shù)對優(yōu)化目標的敏感度以及相應的響應曲線如圖8和圖9所示。敏感度是設計變量對目標函數(shù)的影響程度的體現(xiàn)，從圖中可知加強板厚對質(zhì)量的影響遠大于長度y，寬度x對其的影響;板厚對應力、變形和安全系數(shù)的影響也是大于長度y，寬度x。而相應的結(jié)構(gòu)響應

曲線則是表現(xiàn)各個輸入?yún)?shù)對輸出參數(shù)的影響趨勢，從圖8可知，厚度對板的應力、變形量和安全系數(shù)影響最大。而從圖9可知，長度、寬度和高度均對應力應變產(chǎn)生影響，隨著板厚度的增加，板的總質(zhì)量有增加的趨勢。所以可以得出結(jié)論，板的寬度與長度在取值范圍內(nèi)時，厚度取值較大則板的質(zhì)量會較大，而應力和變形會變小，但是厚度越小時則會導致應力和變化會變大。

3.5? 優(yōu)化求解

根據(jù)實際結(jié)構(gòu)要求，在載荷和約束條件下取應力、總變形在合理范圍而質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標，通過優(yōu)化分析得到四組優(yōu)化候選結(jié)果，如表2所示，選擇候選點1為優(yōu)化結(jié)果，并將其尺寸作為正式設計點對原模型進行響應，對新生成的模型進行靜力分析，從表格可知，最大應力下降到15.654 MPa，下降5.19%，最大變形下降至0.72759 mm，下降14.67%，板質(zhì)量下降到1.9656 Kg（原質(zhì)量：2.0718 Kg），下降5.12%，質(zhì)量下降不是很明顯，安全系數(shù)基本沒變化滿足工程要求。所以板的應力和變形優(yōu)化? ?效果較好，但質(zhì)量不是很好，需要進一步的優(yōu)? ? 化。候選點1的應力、變形和安全系數(shù)云圖如圖10所示。